Rana Gül Aydın
Giriş
Proteinler, tüm yaşam formlarının anahtar bileşikleridir. Örnek olarak, hemoglobin kanımızdaki oksijeni taşır; fotosentez proteinleri, güneş ışığını enerjiye dönüştürür ve mantar enzimleri, bira mayalamada ve ekmek pişirmemizde yardımcı olur. Uzun zamandır, proteinlerin nasıl mutasyona uğradığı veya nasıl var olduğu incelenmektedir. Yunan filozof Parmenides’in dediği gibi, yeni proteinlerin ve onlarla birlikte yeni özelliklerin pratik olarak yoktan ortaya çıkabileceği onlarca yıldır düşünülemezdi: “Hiçlikten hiçbir şey çıkmaz (ex nihilio nifil fit).” ABD ve Avustralya ile birlikte çalışan Münster Üniversitesi’nden araştırmacılar, sineklerde ortaya çıkan bir proteinin yapısını ve fonksiyonunu nasıl oluşturduğunu yeniden inşa ettiler. Bu protein erkek fertilitesi için gereklidir. Sonuçlar Nature Communications dergisinde yayınlanmıştır.
Bu zamana kadar, çoktandır var olan proteinlerden yeni proteinlerin oluştuğu farz edilmişti, yani altta yatan genlerin bir kopyası ve bir ya da her iki gen kopyasındaki küçük mutasyonlarla ortaya çıktıkları düşünülüyordu. Buna rağmen, son on yılda protein evrimi ile ilgili yeni bir anlayış ortaya çıkmıştır: Proteinler, kodlamayan DNA olarak adlandırılan DNA’dan diğer bir deyişle, normalde protein üretmeyen genetik materyalin bu kısmından da fonksiyonel hücre bileşikleri haline sonradan dönüşebilir. Bu olay, çeşitli nedenler açısından şaşırtıcıdır. Yıllardır proteinlerin, fonksiyonel olabilmeleri için gelişmiş bir geometrik form olan üç boyutlu bir yapı haline gelmeleri gerektiği varsayılmıştır. Ek olarak, bu formun kendiliğinden ortaya çıkan bir genden gelişemeyeceği ama bu proteinlerin, fonksiyonel formunda olmasını sağlayan aminoasitlerin kompleks bir kombinasyonunu gerektireceği varsayılmıştır.
Yıllardır denenmesine rağmen, dünya çapındaki araştırmacılar henüz istenilen üç boyutlu yapı ve fonksiyonlara sahip proteinleri oluşturmayı başaramadılar. Bu, işleyen protein oluşumu için “kod”un esasen bilinmediği anlamına gelmektedir. Bu arada görev, araştırmacılar için bulmaca anlamına gelse de, doğanın yeni protein oluşumunda daha yetenekli olduğunu kanıtlamıştır. Münster Üniversitesi Evrim ve Biyoçeşitlilik Enstitüsü’nde Prof. Eric Bornberg-Bauer önderliğindeki araştırma ekibi, çeşitli organizmalardaki yeni analiz edilen genomları karşılaştırarak, türlerin sadece evrim esnasında kopyalanmış protein kodlayıcı genler aracılığıyla farklılık göstermediğini keşfetti. Ayrıca, proteinler hiçbir öncü protein seçim sürecinden geçmeden, sürekli olarak yeniden (de novo) oluşur.
De novo proteinlerin çoğunluğu, hücrelerdeki proteinlere müdahale edebildikleri için kullanışsız hatta nispeten zararlıdır. Bu tür yeni proteinler, protein kodlayan geni taşıyan organizmaların hayatta kalması veya üremesini engellemesi nedeniyle birkaç nesil sonra kolaylıkla kaybedilebilir. Ayrıca, seçilmiş birkaç de novo proteinin yararlı fonksiyonlara sahip olduğu kanıtlanmıştır. Bu proteinler, hücrenin moleküler bileşiklerine entegre olur ve er ya da geç, milyonlarca yıllık küçük modifikasyonlardan sonra mecburi hale gelir. Bu konuda araştırmacıların endişelendiği bazı önemli sorular vardır: Bu tür yeni proteinler doğumda nasıl görülüyor? Nasıl değişiyorlar ve ‘sitedeki yeni çocuklar’ olarak hangi fonksiyonu üstleniyorlar?. Münster’deki Prof. Bornberg-Bauer’in grubu önderliğindeki uluslararası araştırmacılardan oluşan ekip, erkek fertilitesinde gerekli olan meyve sineği proteini olan Goddard için soruları ayrıntılı şekilde cevapladı.
Araştırma, üç kıtada üç ilgili cephede ilerledi. ABD, Massachusetts’teki Holly Cross Koleji’nde Dr. Prajal Patel ve Prof. Geoff Findlay, Goddard proteinini üretmeyen erkek sineklerin kısır ancak farklı bir yönden sağlıklı olduklarını göstermek için CRISPR/ Cas9 genom düzenlemesini kullandılar. Bu esnada, Dr. Andreas Lange ve doktora öğrencisi olan Brennen Heames, günümüzdeki sineklerin yeni protein şeklini öngörmek için biyokimyasal teknikler kullandılar. Daha sonra, Goddard proteinin ilk ortaya çıktığı 50 milyon yıl önceki muhtemel yapısını yeniden inşa etmek için evrimsel yöntemler kullandılar. Buldukları şey oldukça şaşırtıcıydı: “Atalardan kalma Goddard proteini, zaten günümüzde bulunan sinek türlerine oldukça benziyordu. İlk andan itibaren, çoğu protein için gerekli olduğu düşünülen alfa-sarmallar adı verilen yapısal elementler içeriyordu.”
Bu bulguları teyit etmek için çalışmalar, Dr. Adam Damry ve Prof. Colin Jackson’ın Goddard proteininin tahmin edilen şeklini doğrulamak için yoğun hesaplamalı simülasyonların kullanıldığı Canberra’daki Avustralya Ulusal Üniversitesi’nde devam etti. Dr. Lange’in yapısal analizi geçerli kabul edildi ancak uzun zamandır, belki de milyonlarca yıldır var olduğuna inanılan çoğu sinek proteini kadar kararlı olmadığı sonucuna varıldı.
Sonuçlar, protein kodlayan genlerin ortaya çıktığı genomik elementlerin her bireyde on binlerce kez aktive edildiğini gösteren güncel çalışmalarla eşleşiyor. Bu parçalar daha sonra evrimsel seçilim süreci ile sıralanıp kullanışsız ya da büyük çoğunluğu zararlı olanlar hızlıca atılır. Ama nötr ya da nispeten yararlı olanlar, milyonlarca yıl boyunca optimize edilip kullanışlı bir şeye dönüştürülebilir.
Kaynak: https://phys.org/news/2021-03-proteins.html
Görsel Kaynak: https://medium.com/@aryanmisra/the-protein-folding-problem-dfa49030f775
Editör: Elif Berfin KORGAN